Sähköoppia mopoilijalle

Johdanto ja motivaatio

Sähkötekniikka voi mopoilijasta tuntua vaikealta, sillä toisin kuin esim. vaihdelaatikko ja sen toiminta on konkreettista ja näkyvää, sähköä ei voi nähdä. On luotettava enemmän mittalaitteisiin ja teoriaan.

Hyvä yleisohje sähköjen rakentelun kanssa on, että jos et tiedä ollenkaan, mitä olet sähköjen kanssa tekemässä, älä tee. Pyydä apua, kysy asioista ja malta itsekin tutustua ainakin sähkötekniikan perusteisiin hieman.

Miksi mopoilijan tulisi tietää teoriasta jotain? Esimerkiksi siksi, että osaa rakentaa hyvän ja luotettavan sähköjärjestelmän tarvikkeista, jos täysin yhteensopivia osasarjoja ei ole saatavilla. Hyötyä on myös vianetsinnässä ja siten nopeassa ajokuntoon saattamisessa, mikä polttelee useimpia mopoilijoita. Mutta tärkeintä on, että tieto estää ja motivoi välttämään perusvirheet kaikessa tekemisessä.

Käsitteitä

• Tasajännite = jännite, joka pysyy ajan suhteen vakiona
• Tasavirta = virta, joka pysyy ajan suhteen vakiona
• Tasasähkö = ”kansankielinen” yleisnimitys kahdelle käsitteelle edellä, merkintä DC, (Direct Current)
• Vaihtosähkö = sekä virta että jännite muuttuvat ajan funktiona; merkintä AC, (Alternating Current)
• Tasasuuntaus = vaihtosähkö muunnetaan tasasähköksi
• Vaihtosuuntaus = tasasähkö muunnetaan vaihtosähköksi

Käytännön esimerkkejä käsitteistä:

• Mopon magneetto ja lataus- tai jännitteensäädin muodostavat vaihtosähköpiirin.
• Mopon akun ja/tai jännitteen tasasuuntaajan/säätimen edelleensyöttämät piirit ovat tasasähköpiirejä (akku, johtimet, polttimot)
• Taskulampussa on tasasähköpiiri (akku tai paristo, johtimet, polttimo).
• Polkupyörän dynamo ja polttimo muodostavat tasasähköpiirin
• Auton tupakansytyttimen 12 VDC tasasähkön voi muuntaa 230 VAC vaihtosähköksi erikseen ostettavalla invertterillä

Tässä artikkelissa olevat kaavat ja esimerkit pätevät tasasähkölle.

Energia

Energian säilymisen laki määrittelee, että eristetyssä systeemissä energian määrä on vakio, se on sama kaikkina ajanhetkinä. Energiaa ei voi syntyä eikä kadota. Eristetyllä systeemillä tarkoitetaan jonkinlaista tilaa, mistä energia ei pääse karkaamaan tai sinne ei pääse ulkopuolista energiaa. Maailmankaikkeus voidaan sanoa olevan tällainen systeemi ja tämän periaatteen mukaan siinä on alusta asti ollut yhtä paljon energiaa kuin siinä on nyt. Mopoa ei voi sanoa kuitenkaan tällaiseksi systeemiksi, sillä siitä karkaa ja siihen tuodaan energiaa. Nämäkään energiat eivät kuitenkaan katoa mihinkään.

Energialla voi olla erilaisia ilmenemismuotoja: liike-energia, potentiaalienergia, lämpöenergia, sähkömagneettinen energia jne. Energian eri muodot voivat muuttua toisiksi energiamuodoiksi. Esim. mopon moottorissa polttoaineeseen varastoitunut energia muuttuu liike- ja lämpöenergiaksi, sähköpiirin vastuksessa energia muuttuu lämmöksi, magneetossa liike-energia muuttuu sähkömagneettisen energian kautta sähköenergiaksi ja jarruissa taas lämmöksi jne.

Muutos hyödylliseksi (halutuksi) energiaksi ei tapahdu koskaan täydellisesti. Esim. mopon polttoaineen energia ei siirry lähellekään kokonaisuudessaan pyörittämään takapyörää. Suuri osa menee lämmöksi ja kuluu erilaisiin häviöihin, kuten kitkat jne. Kun koneeseen syötetään tietty määrä energiaa, niin hyötysuhde kertoo suhdelukuna kuinka suuri osa siitä energiasta voidaan hyödyntää koneen varsinaista tarkoitusperää varten.

On lopulta aika valaisevaa ymmärtää, että jokainen mopossa ja mopoon vaikuttava energia on jostain peräisin. Mitään energiaa ei synny itsestään; jokainen piuhoista mittaamasi suure (jännite-ero, virta…), lampun loistaminen ja mopon liike on peräisin energiana polttoaineesta, joka on peräisin muinaisista kasveista, joiden energia on peräisin yhteyttämisestä ja siis auringosta. Jos työnsit mopon mäen päälle ilman moottoria, alas laskiessasi vapaalla energia on peräisin sinusta ja sinä olet saanut energiasi ravinnosta. Ja niin edelleen.

Luonnossa potentiaalierot pyrkivät aina tasoittumaan kohti tasapainoista tilaa, jossa energiankulutus on mahdollisimman pientä. Jos on olemassa potentiaaliero ja  virtaus on mahdollista, se tapahtuu. Lämpötilaero aiheuttaa tuulen. Veden korkeusero aiheuttaa virtauksen. Ja sähköpotentiaaliero (jännite-ero) aiheuttaa sähkövirran. Tästä päästäänkin sähköoppiin.

Sähkövirta

Sähkövirta on varaustenkuljettajien liikettä ja sen yksikkö on ampeeri (A) ja suureen tunnus on I. Virtapiirissä sähkövirran suuntaa merkitään nuolella ja nuolen viereen virran suuruus, esim. I = 1,5 A.

Sähkövirtaa voi verrata putkessa virtaavaan veteen. Sähkövirta kiertää aina jossain silmukassa; se ei puristu kasaan tai häviä olemattomiin. Virtapiirin mihin tahansa pisteeseen tulevien virtojen summa on yhtä suuri kuin alueelta lähtevien virtojen summa (Kirchoffin virtalaki). Eli sähkövirtaa ei tule mihinkään pisteeseen enempää, kuin sieltä poistuu. Ja vielä: pisteeseen tulleiden ja siitä poistuvien virtojen summa on nolla. Tätä lakia voi hyvin kuvitella myös vesiputkiesimerkillä.

Virran etumerkki on tärkeä ja sen kanssa tulee olla tarkkana. Jos mittaat yleismittarin virtamittauksella virtaa jostain kohtaa virtapiiriä ja se näyttää 500 mA ja käännät mittarin johtimet toisin päin, se näyttää -500 mA.

Sähkövirran perusteita

Jännite

Jännite on kahden pisteen välinen energiatasoero, potentiaaliero. Sen yksikkö on Voltti (V) ja suureen tunnus on U. Jännitettä merkitään virtapiirissä nuolella, jonka viereen kirjoitetaan jännitteen arvo esim. U = 6 V.

Jännite-eroa voi verrata vesiputkessa olevaan paine-eroon tai korkeuseroon. Kahden putkella yhdistetyn eri korkeudella olevan vesiastian välillä on korkeusero, joka mahdollistaa virtauksen. Vesi liikkuu putkessa myös ylöspäin, jos on luotu paine-ero esim. pumpulla.

Kahden pisteen välillä vaikuttaa sama jännite tarkastelureitistä riippumatta. Silmukan jännitteiden summa etumerkit huomioiden on aina nolla (Kirchoffin jännitelaki).

Resistanssi (vastus) ja Ohmin laki

Resistanssi on kappaleen kyky vastustaa sähkövirran kulkua. Sen yksikkö on ohmi (Ω) ja tunnus R. Resistanssi on jännitteen ja virran suhde (U / I). Mitä suurempi jännite, sitä suurempi virta – ja päin vastoin.

Sähköpiirin osissa (johtimet, lamput, akut, jne.) on aina resistanssia, joka vastustaa sähkövirran kulkua. Vastusta voidaan lisätä piiriin suunnitellusti (lisätään piirin komponentti nimeltä vastus) tai suunnittelematta (jokin heikko liitos ja liian ohut johto vastustaa virran kulkua).

Oikosulku syntyy, kun jännitelähteen navat yhdistetään hyvin pienen vastuksen piirielementillä, esim. lyhyt ja tarpeeksi paksu johdin, joka ei juuri vastusta virtaa. Piiristä riippuen, oikosulkutilanteessa virta saattaa olla suuri, jopa kymmenien ampeerien suuruinen. Usein tilanne on hetkellinen, ts. ennen kuin suojaukset toimivat tai piiri vaurioituu ja katkeaa. Suuri sähkövirta lämmittää johdinta, jolloin tulipalon vaara on suuri. Oikosulkutilanteessa saattaa esiintyä myös kipinöintiä liitoskohdissa.

Jännitteen ja resistanssin perusteita

Teho

Teho tarkoittaa tehtyä työtä aikayksikköä kohti. Sen yksikkö on watti ja tunnus P. Elementin sähköteho (tasasähkö) lasketaan kertomalla jännite ja virta P = U * I. Jos kaava antaa positiivisen teholuvun, elementti kuluttaa tehoa. Jos se antaa negatiivisen teholuvun, se luovuttaa tehoa.

Energia ei häviä sähköpiirissä. Piirin elementtien kuluttama teho = piirin elementtien luovuttama teho.

Laskenta ja sen apuvälineet

Voit laskea itse helposti oheisilla apukolmioilla teoreettisia arvoja tasavirtasähkösuureille. Peitä kolmiosta suure, jonka haluat ratkaista.

• P=Teho [W]
• U=Jännite [V]
• I=Virta [A]
• R=Resistanssi [Ω]

Apukolmiot sähkösuureiden laskentaan.

Lasketut arvot ovat tosiaan teoreettisia. Esim. jännite ei ole aivan tarkasti sama joka puolella mopon sähköjärjestelmää häviöiden ja mahdollisen muun kulutuksen takia eikä ajan suhteenkaan (jännite ”huojuu”). Mutta hyvin ne antavat suuntaa ja jos osaa mitata yleismittarilla kyseisiä suureita, voi tarkastaa, toimiiko mopon sähköjärjestelmä oikein ja etsiä järjestelmän vikoja.

Käytännön esimerkkejä teoriasta mopoilijalle

Valitse kunnon johtimet

Mopon sähköjärjestelmä kuluttaa tehoa siten, että se vaatii reiluja virtamääriä. Liian ohuet johtimet aiheuttavat turhaa vastusta (resistanssia) virtapiireihin. Virtamääriin nähden liian ohuet johdot voivat kuumeta (ja lopulta sulaa). Valitse myös johtimet, jotka kestävät liuottimia (bensiini, pesuaineet) ja auringon ultraviolettisäteilyä (mopot ovat usein ulkona).

Valitse oikeat liittimet, tee kunnon liitokset ja suojaa ne vedeltä, suolalta ja muilta epäpuhtauksilta

Huonot liitokset, kuten väärin liittimin toteutetut, huolimattomat ja löysät puristusliitokset ja kylmäjuotokset, aiheuttavat turhaa vastusta virtapiireihin. Lisäksi ne voivat aiheuttaa kipinöintiä sekä liitosten ”hitsaantumista”. Myös kemialliset reaktiot liitoksissa (ruostuminen, hapettuminen) lisäävät liitoksen resistanssia, joten on viisasta suojata liitokset kutistesukilla tai käyttää valmiiksi vesitiiviitä liitinmalleja.

Laskuesimerkkejä

Esimerkki 1: Mopon 6V sähköjärjestelmässä on 10W polttimo (esim. takajarruvalo). Paljonko virtaa menee tälle polttimolle? Peitä edellä esitetystä vasemmasta kolmiosta kirjain ”I” ja saat kaavan I = P/U, eli I = 10/6 = 1,7 A. Tämä on jo ihan kohtuullinen virtamäärä.

Esimerkki 2: etuvalon polttimo tuntuisi himmentyneen. Jännitemittaus yleismittarilla etuvalolle menevän johtimen erään liitoksen yli näyttää 1,1 V, virtamittaus samassa johdossa taas 2,5 A. Paljonko liitos vastustaa virran kulkua, eli mikä on sen vastus? Peitä edellä esitetystä oikeasta kolmiosta kirjain ”R” ja saat kaavan R = U/I, eli R = 1,1/2,5 = 0,44 Ω. Tämä on jo melkoinen häviön aiheuttaja (mikä näkyy jo liitoksen yli olevassa jännitteessä), eikä ole ihme, että valo on himmentynyt. Tarkista ja korjaa liitos.

– – –

Lähteet:

• Wikipedia
• Sähkötekniikan perusteet, Vesa Linja-Aho, Metropolia AMK